稻壳灰对水泥基及混凝土性能影响的试验研究

王维红，孟云芳，王德志，周 波

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021;2.银川能源学院，银川 750105)

0 引 言

随着建筑业的发展，混凝土对掺合料的用量也越来越大，优质的掺合料可以提高混凝土强度、耐久性、改善工作性能及其他物理力学性能，对保护环境、节约资源、降低能耗、提高工农业废料的综合利用，发展绿色高性能混凝土有着极其重要的作用。稻壳灰是一种新型的矿物掺合料，它是由稻壳燃烧后得到的农业废料。我国是个农业大国，每年稻壳产量近4 000万t[1,2]，然而并没有大规模的合理利用途径。在大多数碾米企业中，稻壳都是自然堆放或焚烧，既占用土地资源，又污染周边环境，还是潜在的火灾隐患。

稻壳中SiO2含量一般在15%～20%，保守估计在10%～20%[3]。如此计算每年从稻壳中理论上至少可以获得400万吨SiO2[4]。而燃烧后的稻壳灰中SiO2含量在90%以上[5]，无定形活性SiO2含量根据稻壳燃烧方式的不同，其活性也不尽相同[6]利用稻壳灰的活性，可以改善水泥基及混凝土的性能[7,8]。本试验以宁夏中粮集团锅炉房生产的稻壳灰为原料，研究稻壳灰水泥基材料的物理力学研究及单掺稻壳灰及与粉煤灰按一定比例复掺后对混凝土力学性能及抗氯离子渗透性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

(1)水泥(C)：采用宁夏赛马牌PO42.5R水泥，28 d抗压强度为45.2 MPa；

(2)粉煤灰(FA)：采用宁夏青铜峡热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，化学成分见表1；

(3)稻壳灰(RHA)：采用宁夏中粮米业轻工业园区生产大米脱出的稻壳，经锅炉房燃烧后而得到的稻壳灰，稻壳灰粉体颗粒大小不均匀，呈多棱角不规则形状，其微观形貌分析图见图1、图2，化学成分见表1；

表1 粉煤灰、稻壳灰的主要化学成分 %

(4)细集料：采用人工水洗山砂，细度模数为2.78，含泥量为2.1%；

(5)粗集料：采用宁夏镇北堡产的天然粗骨料人工碎石，粒径为连续级配为5～25 mm，压碎指标6.4%，含泥量0.8%；

(6)减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，减水率为25%；

(7)试验用水：采用管道饮用水。

图1 稻壳灰1 000倍SEM图Fig.1 Rice husk ash SEM figure 1 000 times

图2 稻壳灰5 000倍SEM图Fig.2 Rice husk ash SEM figure 5 000 times

1.2 试验方法

(1)水泥试验：按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)和 《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)的规定测试稻壳灰矿物掺合料对水泥标准稠度用水量、水泥凝结时间和水泥胶砂强度的影响。

(2)混凝土强度试验：按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行；试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体。试验采用YAW-4306型微机控制万能试验机。

(3)混凝土抗氯离子渗透性能试验：按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)进行，试模采用Φ100，高50 mm的圆柱体试模成型，试件标准养护56 d进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 粉磨时间及掺量对水泥标准稠度用水量及凝结时间的影响

将粉磨0、5、15、30、45、60 min的稻壳灰统一等质量替代10%水泥，进行标准稠度用水量及凝结时间试验。根据稻壳灰对水泥标稠、凝结时间的影响结果表2，绘制出其影响趋势图3、图4。由图3、图4可看出，稻壳灰的加入增大水泥标准稠度用水量，其中原状稻壳灰对水泥标准稠度用水量的增加最大，比基准组增加8.0%，随着粉磨时间的延长，水泥标准稠度用水量是降低的。由图4可以看出，稻壳灰对水泥的初凝时间和终凝时间的影响，随着粉磨时间的增加，水泥的初凝时间先增加后降低，当粉磨45 min时，水泥初凝时间与基准组相当，稻壳灰的加入，延长了水泥的终凝时间，原状及粉磨5 min稻壳灰的效果最明显，其他粉磨时间的稻壳灰对水泥终凝时间影响不大。

表2 稻壳灰对水泥物理性能影响结果Tab.2 Effcet of rice husk ash on cement physical properties

图3 稻壳灰粉磨时间对水泥标稠用水量的影响Fig.3 Effect of rice husk ash grinding time on cement standard consistency water consumption

图4 稻壳灰掺量对水泥标稠用水量的影响Fig.4 Effect of rice husk ash content on cement standard consistency water consumption

以粉磨45 min稻壳灰为例，等质量替代10%、15%、20%、25%、30%水泥，考查稻壳灰掺量对水泥标准稠度用水量及凝结时间的影响。试验结果如表2所示，影响趋势图如图5、图6所示，根据试验结果绘制试验结果表明当稻壳灰掺量从0增加到30%，标准稠度用水量较基准组分别增加2.9%，5.8%，8.3%，10.5%和13%，延长了初凝时间和终凝时间，其中初凝时间影响较大，终凝时间影响不大。

图5 稻壳灰粉磨时间对水泥凝结时间的影响Fig.5 Effect of rice husk ash grinding time on cement setting time

图6 稻壳灰掺量对水泥凝结时间的影响Fig.6 Effect of rice husk ash content on cement setting time

2.2 粉磨时间对水泥胶砂强度的影响

矿物掺合料的细度对其活性的发挥至关重要，将稻壳灰分别粉磨0，5，15，30，45，60 min统一替代10%水泥进行胶砂强度试验，测得7，28 d的胶砂强度试验结果如表3所示。

由表3可以看出，掺入稻壳灰后，早期胶砂强度均低于基准组，掺原状稻壳灰胶砂强度明显低于粉磨后稻壳灰胶砂强度，这是因为早期时，稻壳灰的活性还未充分发挥而且细度对稻壳灰的活性有影响，28 d龄期时，随着水化反应的进行，稻壳灰的活性被激发，在稻壳灰粉磨45 min内，随着粉磨时间的增加胶砂强度不断增加，在粉磨45 min时，稻壳灰的活性最大，但当粉磨时间为60 min时，稻壳灰胶砂强度没有增加反而降低，说明粉磨时间的增长，稻壳灰的活性并不是一直增加，这主要是因为当粉磨时间过长，稻壳灰颗粒减小而且表面粗糙度进一步增加，使颗粒产生二次团聚，可能还会使细小的颗粒填充较大颗粒内部孔隙使稻壳灰的活性降低，所以稻壳灰适宜粉磨时间为45 min。

表3 水泥胶砂强度试验结果 MPa

2.3 稻壳灰对混凝土强度的影响

由胶砂强度试验结果可以看出，粉磨45 min稻壳灰的活性最大，所以稻壳灰粉磨时间选择45 min,本试验以单掺稻壳灰，复掺稻壳灰/粉煤灰等质量取代水泥，来研究稻壳灰对混凝土力学性能的影响。混凝土配合比及试验结果如表4所示。

从试验结果可以看出，随着稻壳灰掺量的增加，混凝土早期龄期强度是逐渐降低的，混凝土养护到28和56 d时，混凝土的强度是先增加后降低，稻壳灰为20%的掺量时混凝土强度最高。与JZ组混凝土相比，掺稻壳灰的混凝土7和28 d龄期的强度总体上较低，养护到56 d龄期之后其抗压强度超过了JZ组，这可能是因为稻壳灰细小颗粒可以填充混凝土内部孔隙，而且稻壳灰中含有活性无定形SiO2，会与水泥水化后生成的氢氧化钙产生二次反应来提高混凝土强度，而其活性主要体现在在水泥水化后期，稻壳灰的活性远不及水泥，所以大掺量的稻壳灰势必会降低混凝土的强度[9]。以稻壳灰掺量20%范围内，粉煤灰掺量为15%的情况下，考查10%、15%、20%三种掺量稻壳灰与粉煤灰复掺后对混凝土抗压强度的影响。结果显示，与JZ组混凝土相比，复掺稻壳灰/粉煤灰混凝土不同龄期的抗压强度变化规律与单掺稻壳灰混凝土相似，与单掺稻壳灰相比，复掺稻壳灰/粉煤灰的效果更优。从试验结果上来看，混凝土的最优配比为：水泥375 kg/m3、稻壳灰50 kg/m3、粉煤灰75 kg/m3、砂700 kg/m3、石1 050 kg/m3。

表4 混凝土配合比及强度对比试验结果 kg/m3

2.4 稻壳灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

因钢筋锈蚀造成混凝土结构破坏已屡见不鲜，据调查数据显示，40%以上的钢筋混凝土结构因钢筋锈蚀而产生破坏，而引起钢筋锈蚀的主要原因就是氯离子侵蚀[10]，为了提高混凝土结构的抗氯离子侵蚀能力，延长建筑物使用寿命，保障其安全可靠的运行，所以，本试验采用RCM法和电通量两种试验方法对基准混凝土与最优组进行对比试验，检验稻壳灰改善混凝土抗氯离子渗透性能的效果，为水利工程的应用提供一些参考。表5为混凝土养护到56 d时的对比试验结果。

表5 抗氯离子渗透试验配合比及试验结果Tab.5 Mix proportion and test result of resistance to chloride ion penetration

由试验结果可知，掺矿物掺合料后，混凝土6 h电通量值明显低于基准混凝土。其中加入稻壳灰后的R10F15组混凝土通过的电通量最少，与JZ组氯离子扩散系数相比，掺矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数下降28%～55%，其中R10F15组混凝土氯离子扩散系数下降达55%。根据试验结果评价标准可知，该混凝土的氯离子渗透性很低。由此可知，稻壳灰可有效提高混凝土抗氯离子渗透性能。这主要是因为稻壳灰都充分发挥了其级配效应，填充了水泥颗粒和粉煤灰颗粒之间，增加粉体间的密实度，从而提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

3 结 语

(1)掺入稻壳灰后，水泥的标准稠度用水量增加，合适的粉磨时间和掺量对水泥浆的标准稠度用水量影响不大；随着稻壳灰掺量的增加，水泥的初凝和终凝时间均延长，稻壳灰粉磨45 min，掺量10%时复合胶凝材料的凝结时间与水泥接近。

(2)水泥胶砂强度试验表明：粉磨时间对稻壳灰的活性有一定的影响，稻壳灰对水泥7 d早期胶砂强度是不利的，合适的粉磨时间可使28 d水泥胶砂强度得到提高，稻壳灰粉磨时间45 min时，水泥胶砂强度达到最大。

(3)作为掺合料加入混凝土中，对混凝土56 d龄期的强度增长较大，超过了基准组混凝土。混凝土的最优配比为：水泥375 kg/m3、稻壳灰50 kg/m3、粉煤灰75 kg/m3、砂700 kg/m3、石1 050 kg/m3。

(4)混凝土抗氯离子渗透性能试验显示，加入稻壳灰后，混凝土的电通量和氯离子扩散系数明显降低，表明RCM法和电通量法试验结果一致，稻壳灰可以显著改善混凝土抗氯离子渗透性能，氯离子渗透性能排列顺序为：R10F15>F25>JZ 。

通过实验表明，稻壳灰在对提高混凝土抗压强度，改善混凝土孔结构特征方面有些重要的作用，而高活性的稻壳灰有着和硅灰活性相媲美的美誉，相对于硅灰而言，稻壳灰的资源丰富，价格低廉，若用到高性能混凝土中会大大降低工程造价。如何获取工程材料规模的稻壳灰，实现活性稻壳灰的推广应用，是我们要解决的问题。研究学者，在制备稻壳灰研究中，研制出了多种稻壳灰焚烧装置，根据学者提出的“两段煅烧法”，设计出了半工业化制备稻壳灰燃烧装置，大大提高了高活性稻壳灰的制备量，但这些技术还不能满足一次性大量生产稻壳灰，要想大规模生产高活性稻壳灰，还需要进一步的研究。但是相信随着科学技术的不断发展，在不久的将来，大规模高活性的稻壳灰生产技术定能逐渐成熟起来。

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[1] 任素霞.稻壳资源的综合利用研究[D]. 长春：吉林大学，2009.

[2] 贾中兆，万永敏，张少明.稻壳热解制备纳米二氧化硅[J].新技术新工艺，2006,(5):81-82.

[3] 欧阳东.稻壳更有价值的出路-制备混凝土顶级掺合料[J].粮食与饲料工业，2003,(6):41-42.

[4] S Chandrasekhar,P N Pramada,P Raghavan,et al.Mierosiliea from rice husk as a Possible substitute for condensed silicafume for high Performanceconerete[J].Journal Of Materials Science Letters 2002，21:1 245-1 247.

[5] 蔡希高.稻壳、稻壳灰在建筑上的应用[J].广西科学院学报，1999,15(4):191-195.

[6] 余其俊，赵二银.高活性稻壳灰的制备及其性能的研究[J].武汉理工大学学报，2003，25(1):15-18.

[7] 李振国，张亚芬，王小鹏，等.掺纳米SiO2/稻壳灰/粉煤灰水泥基材料性能的试验研究[J].硅酸盐通报，2014，32(6):1 018-1 021.

[8] 程小伟，王升正，时 宇，等.稻壳灰对油井水泥性能的影响及作用机理初探[J].硅酸盐通报，2015，34(8):2 171-2 175.

[9] 明 阳，李 杰，张凯峰，等.稻壳灰作混凝土掺合料的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2014,(5)：88-90.

[10] 李春秋，李克非.干湿交替下表层混凝土中氯离子传输:原理、试验和模拟[J].硅酸盐学报，2010,38(4):581-588.